JP2005144460A - アークを用いた加工方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アークをワークの被加工面に吹き付けかつ該アークを該被加工面に沿って走査させることで溶接等の加工を行う場合において、装置の大型化やコストアップを招くことなく、アークの走査速度を出来る限り向上させて加工速度を向上させ、しかも、良好な加工品質が得られるようにする。
【解決手段】 アークが吹き出すノズル２ａに対してアーク走査方向（Ｙ方向）と垂直な方向（Ｘ方向）の両側となる部分に、ガス吹出口１１をそれぞれ設け、この各ガス吹出口１１からアークに対してガスを吹き付けることで、該アークの断面形状を、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状にする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマアーク等のアークをワークの被加工面に吹き付けかつ該アークを該被加工面に沿って走査させることで所定の加工（溶接や切断等）を行うようにするアークを用いた加工方法及びその装置に関する技術分野に属する。

従来より、この種の加工装置は、プラズマアーク溶接装置等としてよく知られている。このものは、ワークの被加工面に対向配置されかつアークを該被加工面に吹き付けるトーチを備えており、このトーチは被加工面に沿って走査可能に構成されている。そして、上記トーチをワークの被加工面上に位置させ、そのトーチからアークを被加工面に吹き付けかつトーチ（つまりアーク）を被加工面に沿って走査させることで、例えば板材の突き合わせ溶接等を行うようにしている。

特にプラズマアークを用いる加工装置では、プラズマアークをシールドガスによって絞った状態で被加工面に吹き付けるので、一般のアークを用いるものに比べるとアークのエネルギー密度を高くすることができ、この結果、トーチを比較的高速で走査しても、良好な加工品質が得られるという利点がある。

しかし、上記プラズマアークの断面形状は、通常円形であり、その径を小さくすることには限界があるので、被加工面において加工に必要な箇所以外にもアークが吹き付けられてそのエネルギーが加工に不必要な個所に分散してしまう。このため、トーチの走査速度には限界があり、それ以上に速度を上げようとすると、例えば溶接の場合には、穴開きやアンダーカット等が生じて良好な溶接品質が得られないという問題がある。したがって、より一層の高速化を図るには改善の余地がある。

ところで、従来、例えば特許文献１に示されているように、ワークに対する入熱を効率よく行うために、励磁コイルへの間欠通電（オシレート通電）によりアークを該アークの走査方向に振らせることで、アークの断面形状をアーク走査方向に長い形状にするようにしたものがある。

また、特許文献２に示されているように、溝加工において掘り量（深さ）を大きくするためにアークをワークに対して衝突点が略楕円を描くように回転させながら吹き付けるようにしたものがある。
特開平４−２８８９７３号公報 特開平１１−２１６５７１号公報

しかしながら、上記従来例のようにアークを振るようにしても、アーク自体のエネルギー密度が向上するわけではなく、また加工に必要な箇所以外にもアークが吹き付けられることに変わりはないので、トーチの走査速度を速くすることは困難であり、また、アークを振らせるために装置の大型化やコストアップを招くという問題がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アーク溶接等のアークを用いた加工において、装置の大型化やコストアップを招くことなく、アークの走査速度を出来る限り向上させて加工速度を向上させ、しかも、良好な加工品質が得られるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、アークに対して、その走査方向と垂直な方向の両側からガスを吹き付けることで、該アークの断面形状を、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状にするようにした。

具体的には、請求項１の発明では、アークをワークの被加工面に吹き付けかつ該アークを該被加工面に沿って走査させることで所定の加工を行うようにするアークを用いた加工方法を対象とする。

そして、上記アークに対して、該アーク走査方向と垂直な方向の両側から第１のガスを吹き付けることで、該アークの断面形状を、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状にするようにする。

このことにより、アークをアーク走査方向と垂直な方向に絞ることで、ワークの被加工面において加工に必要な箇所にアークのエネルギーを集中させることができるとともに、被加工面におけるアーク走査方向前側部分の余熱効果により、アークの走査速度を速くしても、良好な加工品質が得られるようになる。一方、このように第１のガスをアークに吹き付けることは、トーチの先端に設けたアーク吹出し用ノズルの両側に第１のガスの吹出口を設けておき、第１のガスには元々あるシールドガスを使用することで、容易に行うことができる。また、従来例のようにアークを振るようなことはしないので、装置の大型化やコストアップを招くことはない。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、アークの外側全周において該アークをシールドする第２のガスをアークと共にワークの被加工面に吹き付けるとともに、該第２のガス流の内側において第１のガスをアークに対して吹き付けるようにする。

このようにすることで、第２のガスによるアークのシールド性が阻害されるのを防止することができるとともに、ワークの溶融部を酸化等しないように確実に保護することができる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、アークの外側全周でかつ第２のガス流の内側においてアークをシールドする第３のガスをアーク及び第２のガスと共にワークの被加工面に吹き付けるとともに、該第２のガス流の内側でかつ第３のガス流の外側において第１のガスをアークに対して吹き付けるようにする。

このことで、第３のガスによりアークを絞ることができるとともに、第２のガスと共にアークの剛直性を高めることができて、磁気吹きによるアークの蛇行を防止することができる。また、アークが第１のガスによりアーク走査方向に広がりすぎるのを防止することができる。よって、加工品質のより一層の向上化を図ることができる。

請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、アークはプラズマアークであるものとする。

このことにより、走査速度と加工品質との両方の向上化を図ることができるという、請求項１の発明の作用効果を有効に発揮させることができる。

請求項５の発明は、ワークの被加工面に対向配置され、アークを該被加工面に吹き付けるトーチと、該トーチを該被加工面に沿って走査させる走査手段とを備え、上記トーチからアークを上記被加工面に吹き付けかつ上記走査手段により該トーチを該被加工面に沿って走査させることで所定の加工を行うように構成されたアークを用いた加工装置の発明である。

そして、この発明では、上記アークに対して、上記トーチ走査方向と垂直な方向の両側から第１のガスを吹き付けることで、該アークの断面形状を、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状にする第１のガス吹付手段を備えているものとする。

この発明により、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。

請求項６の発明では、請求項５の発明において、アークの外側全周において該アークをシールドする第２のガスをアークと共にワークの被加工面に吹き付ける第２のガス吹付手段を備え、第１のガス吹付手段は、上記第２のガス吹付手段の吹付動作により生じる第２のガス流の内側において第１のガスをアークに対して吹き付けるように構成されているものとする。このことにより、請求項２の発明と同様の作用効果が得られる。

請求項７の発明では、請求項６の発明において、アークの外側全周でかつ第２のガス流の内側においてアークをシールドする第３のガスをアーク及び第２のガスと共にワークの被加工面に吹き付ける第３のガス吹付手段を備え、第１のガス吹付手段は、上記第２のガス流の内側でかつ上記第３のガス吹付手段の吹付動作により生じる第３のガス流の外側において第１のガスをアークに対して吹き付けるように構成されているものとする。このことで、請求項３の発明と同様の作用効果を得ることができる。

請求項８の発明では、請求項５〜７のいずれか１つの発明において、アークはプラズマアークであるものとする。こうすることで、請求項４の発明と同様の作用効果が得られる。

以上説明したように、本発明のアークを用いた加工方法及びその装置によると、装置の大型化やコストアップを招くことなく、アークの走査速度を向上させて加工速度を向上させることができるとともに、良好な加工品質が得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るアークを用いた加工装置としてのプラズマアーク溶接装置におけるトーチ１の先端部を示す。このプラズマアーク溶接装置は、ワークとしての、互いに端面が突き合わされた２枚の金属板１５（鋼板等）の該突合せ部を溶接するものである。

上記トーチ１は、上記両金属板１５の突合せ部上面（被加工面）に対向配置されてプラズマアークを該両金属板１５の突合せ部上面に吹き付けるようになっている。そして、このトーチ１は、図示を省略する多関節ロボットのアーム先端に取り付けられていて、上記両金属板１５の突合せ部上面に沿って走査可能に構成されている。つまり、この多関節ロボットのアームが、トーチ１を両金属板１５の突合せ部上面に沿って走査させる走査手段を構成する。そして、上記トーチ１の先端部（具体的には、後述のノズル部材２のノズル２ａ）からプラズマアークを両金属板１５の突合せ部上面に吹き付けかつ該トーチ１（つまりプラズマアーク）を突合せ部が延びる方向（図２及び図３に示すＹ方向）に走査させることで該突合せ部の溶接を行うように構成されている。

上記トーチ１の先端部には、縦断面が略Ｕ字状をなす有底筒状のノズル部材２が設けられている。このノズル部材２の内側における該ノズル部材２の中心軸上に、プラズマアークの発生及び維持に必要な電流を供給するプラズマ電源と接続された電極３が設けられている。そして、このノズル部材２の先端部（底壁部）における上記電極３の先端に対向する部分（ノズル部材２の中心軸上）に、プラズマアークを吹き出すためのノズル２ａが形成されている。尚、図示は省略するが、ノズル部材２の側壁部には、冷却水が流れる冷却水通路が設けられている。

図２にも示すように、上記ノズル部材２の外周囲には、該ノズル部材２に対して隙間があくように略円筒状のシールドキャップ７がノズル部材２と同心状に設けられ、このシールドキャップ７とノズル部材２との間には、該シールドキャップ７及びノズル部材２に対してそれぞれ隙間があくように略円筒状の仕切壁５が設けられている。この仕切壁５の先端部は、ノズル部材２の先端部の外側形状に沿うように先端に向かってノズル部材２の中心軸方向に傾斜している。上記仕切壁５とノズル部材２との間の部分は、上記ノズル２ａに対して上記トーチ走査方向（図２及び図３に示すＹ方向）と垂直な方向（図２及び図３に示すＸ方向）の両側となる部分を除いて、２つの閉塞部材９によって閉塞されている。

上記仕切壁５とノズル部材２との間の部分において上記閉塞部材９によって閉塞されていない２つの開口部は、第１ガス吹出口１１とされている。つまり、これら２つの第１ガス吹出口１１は、ノズル２ａに対してトーチ走査方向と垂直な方向の両側となる部分にそれぞれ設けられている。そして、各第１ガス吹出口１１は、アルゴンガス等からなる第１のガスを供給する第１ガス供給源（図示せず）に接続されており、上記ノズル２ａからプラズマアークが吹き出しているときに、各第１ガス吹出口１１から第１のガスが吹き出すように構成されている。

上記第１のガスは、上記各第１ガス吹出口１１が上記ノズル部材２の中心軸方向を向いているので、各第１ガス吹出口１１から上記プラズマアークに向けて吹き出すことになる。これにより、ノズル２ａから吹き出したプラズマアークは、断面円形であったものが、トーチ走査方向（アーク走査方向）と垂直な方向の両側から第１のガスが吹き付けられることで、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状に変形させられる。このことにより、上記第１ガス供給源及び各第１ガス吹出口１１は、プラズマアークに対して、トーチ走査方向と垂直な方向の両側から第１のガスを吹き付けることで、該プラズマアークの断面形状を、長軸方向がトーチ走査方向に略一致する略楕円状にする第１のガス吹付手段を構成することになる。

上記シールドキャップ７と仕切壁５との間の部分は、全周が開口していて、第２ガス吹出口１２とされている。この第２ガス吹出口１２は、アルゴンガス等からなる第２のガスを供給する第２ガス供給源（上記第１ガス供給源と同じものであってもよい）に接続されており、上記ノズル２ａからプラズマアークが吹き出しているときに、第２ガス吹出口１２から第２のガスが吹き出すように構成されている。

上記第２のガスは、上記ノズル２ａから吹き出すプラズマアークの外側全周において該プラズマアークをシールドするものであって、該プラズマアークと共に両金属板１５の突合せ部上面に吹き付けられるようになっている。このことで、上記第２ガス供給源及び第２ガス吹出口１２は、第２のガスをプラズマアークと共に両金属板１５の突合せ部上面に吹き付ける第２のガス吹付手段を構成することになる。尚、第２のガスは、プラズマアークのシールドに加えて、両金属板１５の突合せ部上面においてプラズマアークによって溶融された溶融部１６（図３参照）を覆うようになされており、これにより、その溶融部１６の酸化等を防止する働きをも有している。

上記ノズル２ａは、上記電極３とノズル部材２の側壁部との間の部分を介して、アルゴンガス等からなる第３のガスを供給する第３ガス供給源（上記第１又は第２ガス供給源と同じものであってもよい）に接続されており、上記ノズル２ａからプラズマアークが吹き出しているときに、該ノズル２ａからプラズマアークと共に第３のガスが吹き出すように構成されている。

上記第３のガスは、プラズマアークの外側全周でかつ上記第２のガス吹付手段の吹付動作により生じる第２のガス流の内側においてプラズマアークをシールドするものであって、該プラズマアーク及び第２のガスと共に両金属板１５の突合せ部上面に吹き付けられるようになっている。このことで、上記第３ガス供給源及びノズル２ａは、第３のガスをプラズマアーク及び第２のガスと共に両金属板１５の突合せ部上面に吹き付ける第３のガス吹付手段を構成することになる。尚、第３のガスは、プラズマアークのシールドに加えて、プラズマアークを全周に亘って均等に絞ってその径を小さくする働きをも有している。

上記ノズル２ａ並びに第１及び第２ガス吹出口１１，１２の位置関係より、上記第１のガス吹付手段は、上記第２のガス流の内側でかつ上記第３のガス吹付手段の吹付動作により生じる第３のガス流の外側において第１のガスをプラズマアークに対して吹き付けることになる。

上記プラズマアーク溶接装置を用いて両金属板１５の突合せ部を溶接するには、トーチ１を両金属板１５の突合せ部の一端部の上側に位置させて、該トーチ１の先端部（ノズル部材２のノズル２ａ）からプラズマアークを両金属板１５の突合せ部上面に吹き付けかつ該トーチ１を突合せ部が延びる方向（突合せ部の他端側）に走査させる。このとき、プラズマアークと共に第１〜第３のガスをそれぞれ各第１ガス吹出口１１、第２ガス吹出口１２及びノズル２ａから吹き出させる。

上記プラズマアークは、上記第３のガスにより全周に亘って均等に絞られるとともに、トーチ走査方向（Ｙ方向）と垂直な方向（Ｘ方向）の両側から第１のガスが吹き付けられるので、第３のガスと共にＹ方向にのみ絞られて、その断面形状が、長軸方向がトーチ走査方向に略一致する略楕円状となる。これにより、図３に示すように、両金属板１５の突合せ部上面におけるプラズマアーク当接部１７の形状も、長軸方向がトーチ走査方向（つまり突合せ部が延びる方向）に略一致する略楕円状となる。この実施形態では、プラズマアークにおいてノズル２ａから両金属板１５の突合せ部上面に至るまでの略全部分を断面略楕円状とするようにしているが、ノズル２ａから吹き出すプラズマアークの少なくとも上記突合せ部上面近傍部の断面形状を略楕円状とすればよい。尚、図３中、１６は、プラズマアークにより溶融した溶融部であり、この溶融部１６は第２のガスによって覆われるので、酸化等が防止される。また、１８は、その溶融部１６が固まって溶接が完了した部分である。

図４は、第１のガスをプラズマアークに吹き付けない場合を示す。この場合には、プラズマアークの断面形状は円形であり、両金属板１５の突合せ部上面におけるプラズマアーク当接部１７の形状も円形である。このため、突合せ部から比較的離れた部分にまでプラズマアークが吹き付けられるので、そのエネルギーが溶接に不必要な個所に分散してしまう。

これに対し、第１のガスをプラズマアークに吹き付けた場合には、プラズマアークのエネルギーを突合せ部に集中させることができる。この結果、トーチ走査方向と垂直な方向において溶接を適切に行える温度となる領域は、第１のガスをプラズマアークに吹き付けない場合に比べて広くなり、これにより、プラズマアーク当接部１７と突合せ部との位置ずれに対する余裕度や、突合せ部における隙間に対する余裕度が向上する。また、突合せ部上面におけるプラズマアーク当接部１７が略楕円状になることで、突合せ部におけるアーク走査方向前側部分の余熱効果により、トーチ１の最大走査速度（穴開きやアンダーカット等が生じない速度）を、第１のガスをプラズマアークに吹き付けない場合に比べて約３０％程度速くすることができる。よって、溶接の速度を向上させることができるとともに、良好な溶接品質が得られる。

また、第２及び第３のガスにより、プラズマアークの剛直性を高めることができて、磁気吹きによるプラズマアークの蛇行を防止することができる。そして、第２のガス流の内側で第１のガスをプラズマアークに対して吹き付けることで、第２のガスによるアークのシールド性が阻害されるのを防止することができるとともに、溶融部１６を酸化等しないように確実に保護することができる。また、第３のガス流の外側で第１のガスをプラズマアークに対して吹き付けることで、プラズマアークが第１のガスによってトーチ走査方向に広がりすぎるのを防止することができる。よって、第２及び第３のガスにより、溶接品質をより一層向上させることができる。

さらに、トーチ１のノズル部材２とシールドキャップ７（これらは従来のプラズマアーク溶接装置にもある）との間に仕切壁５及び閉塞部材９を設けるだけで、第１のガスをプラズマアークに吹き付けるようにすることができるので、装置を大型化することなく簡単にかつ低コストで装置を作製することができる。

尚、上記実施形態では、本発明をプラズマアーク溶接装置に適用した場合を示したが、ＴＩＧ溶接装置や、ＭＩＧ溶接装置、ＭＡＧ溶接装置等のようなアーク溶接装置にも本発明を適用することができる。また、溶接装置以外にも、アークを用いて板材等を切断する切断装置や、溝を形成する溝加工装置等にも本発明を適用することができる。

また、アークを断面略楕円状にする第１のガスのアークへの吹き付けは、第２のガス流の外側で行ってもよく、第３のガス流の内側で行ってもよい。但し、上記実施形態のように、第２のガス流の内側でかつ第３のガス流の外側で行う方が、上記した理由により好ましい。

さらに、第３のガスは必ずしも必要なものではなく、第２のガスだけでもアークをシールドすることができる。この場合においても、上記実施形態と同様に、第２のガス流の内側において第１のガスをアークに対して吹き付けることが望ましい。

本発明は、アークをワークの被加工面に吹き付けかつ該アークを該被加工面に沿って走査させることで溶接や切断等を行う場合に有用であり、特にプラズマアーク溶接に有用である。

本発明の実施形態に係るアークを用いた加工装置としてのプラズマアーク溶接装置におけるトーチの先端部を示す断面図である。 図１のII方向矢示図である。 ２枚の金属板の突合せ部を溶接している状態を示す平面図である。 第１のガスをプラズマアークに吹き付けない場合の図３相当図である。

符号の説明

１ トーチ
２ ノズル部材
２ａ ノズル（第３のガス吹付手段）
１１ 第１ガス吹出口（第１のガス吹付手段）
１２ 第２ガス吹出口（第２のガス吹付手段）
１５ 金属板（ワーク）

Claims (8)

1. アークをワークの被加工面に吹き付けかつ該アークを該被加工面に沿って走査させることで所定の加工を行うようにするアークを用いた加工方法であって、
   上記アークに対して、該アーク走査方向と垂直な方向の両側から第１のガスを吹き付けることで、該アークの断面形状を、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状にすることを特徴とするアークを用いた加工方法。
2. 請求項１記載のアークを用いた加工方法において、
   アークの外側全周において該アークをシールドする第２のガスをアークと共にワークの被加工面に吹き付けるとともに、該第２のガス流の内側において第１のガスをアークに対して吹き付けることを特徴とするアークを用いた加工方法。
3. 請求項２記載のアークを用いた加工方法において、
   アークの外側全周でかつ第２のガス流の内側においてアークをシールドする第３のガスをアーク及び第２のガスと共にワークの被加工面に吹き付けるとともに、該第２のガス流の内側でかつ第３のガス流の外側において第１のガスをアークに対して吹き付けることを特徴とするアークを用いた加工方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のアークを用いた加工方法において、
   アークはプラズマアークであることを特徴とするアークを用いた加工方法。
5. ワークの被加工面に対向配置され、アークを該被加工面に吹き付けるトーチと、該トーチを該被加工面に沿って走査させる走査手段とを備え、上記トーチからアークを上記被加工面に吹き付けかつ上記走査手段により該トーチを該被加工面に沿って走査させることで所定の加工を行うように構成されたアークを用いた加工装置であって、
   上記アークに対して、上記トーチ走査方向と垂直な方向の両側から第１のガスを吹き付けることで、該アークの断面形状を、長軸方向がアーク走査方向に略一致する略楕円状にする第１のガス吹付手段を備えていることを特徴とするアークを用いた加工装置。
6. 請求項５記載のアークを用いた加工装置において、
   アークの外側全周において該アークをシールドする第２のガスをアークと共にワークの被加工面に吹き付ける第２のガス吹付手段を備え、
   第１のガス吹付手段は、上記第２のガス吹付手段の吹付動作により生じる第２のガス流の内側において第１のガスをアークに対して吹き付けるように構成されていることを特徴とするアークを用いた加工装置。
7. 請求項６記載のアークを用いた加工装置において、
   アークの外側全周でかつ第２のガス流の内側においてアークをシールドする第３のガスをアーク及び第２のガスと共にワークの被加工面に吹き付ける第３のガス吹付手段を備え、
   第１のガス吹付手段は、上記第２のガス流の内側でかつ上記第３のガス吹付手段の吹付動作により生じる第３のガス流の外側において第１のガスをアークに対して吹き付けるように構成されていることを特徴とするアークを用いた加工装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１つに記載のアークを用いた加工装置において、
   アークはプラズマアークであることを特徴とするアークを用いた加工装置。

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